Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨的設計

劉文泉， 劉傳斌， 劉愛民

(中國鋁業山東分公司 1.恒成機械制造廠；2.營銷中心；3.第二氧化鋁廠，山東 淄博 255052)

Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨的設計

劉文泉1， 劉傳斌2， 劉愛民3

(中國鋁業山東分公司 1.恒成機械制造廠；2.營銷中心；3.第二氧化鋁廠，山東 淄博 255052)

根據原料磨的用途和工藝參數，以及國際上拜耳法生產氧化鋁行業中較先進的生產工藝，結合多年積累的豐富的設計與制造經驗研制開發，對原料磨的機械性能參數進行了相應的設計和驗算。

轉速確定；功率計算；主軸承驗算；磨機的結構設計

Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨應用于中國鋁業山東分公司第二氧化鋁廠鋁礦石的磨制，該磨機國內氧化鋁原料磨中是最大規格的原料磨，也是中國鋁業恒成機械制造廠自行設計的最大規格的原料磨。在中國鋁業山東分公司第二氧化鋁廠80萬t擴建項目中，Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨是擴建工藝流程中的主要設備，該設備的性能關系到整個項目的成敗。由于氧化鋁礦石的特性使得該原料磨與一般礦石的磨制工藝不同，設計方案的確定無法借鑒成熟的實踐經驗。設計失敗將造成800多萬元的設備報廢和整個氧化鋁擴建項目延期投產6個月的損失，因此，Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨的成功設計是保障中國鋁業山東分公司經濟效益和順利投產的前提。

1 設計依據

(1)設備用途

Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨應用在中鋁山東分公司第二氧化鋁廠80萬t改擴建項目中，是工藝流程中的主要設備，用于將塊狀的三水軟鋁土礦礦石磨制成礦漿。

(2)工藝參數

進磨物料 三水軟鋁土礦、少量石灰

物料粒度 小于100 mm

進磨溶液成分Nk：170～180 g/L，Al2O3：90～100 g/L，Nc：10～15 g/L

進磨溶液溫度 60～80 ℃

進磨液量 300～350 m3/h+循環量

出料粒度 80#篩上殘留≤20%，120#篩上殘留≥20%

設備產能 >90 t/h(干基)

2 原料磨性能參數確定

2.1 原料磨轉速的確定

2.1.1 類比法

(1)Φ3.4 m×8.05 m風掃煤磨，主傳動轉速n主=17.3 rpm。

(2)沈陽鋁鎂設計院提供的資料，主傳動轉速n主=17.3 rpm。

2.1.2 計算法[1]

(1)按臨界轉速公式：nc=42.3/D1/2=22.29 rpm。

(2)按階梯襯板公式：n=31/D1/2=16.3 rpm。

根據以上類比與計算確定：主傳動時磨機轉速n主=17.3 rpm，輔助傳動時磨機轉速n輔=0.256 rpm。

2.2 粉磨介質及物料的裝載量

2.2.1 裝球量

根據裝球量計算公式：

G球=rφπD2/4×L

(1)

式中G球—磨機裝球量，t；r—鋼球的單位容重，t/m3；φ—磨機的填充率；D—磨機的有效直徑，m；L—磨機的有效長度，m。

取鋼球的單位容重r=4.6 t/m3，填充率φ一般取40～45%，由于鋁礬土硬度不高、進料粒度較小，取φ=35%。經計算得，G球=73.9 t。按標準JB/T1406-2002《球磨機和棒磨機》，選取裝球量73.9 t是合理的。

2.2.2 原料磨中加入物料的重量

一般物料加入量為裝球量的14%，所以：

G物=14%G球=14%×73.9=10.35 t

(2)

式中G物—磨機中加入物料的重量，t。

2.2.3 研磨介質、物料總裝載量

筒體裝置內裝入研磨介質以及物料的總重量，G總=G球+G物=73.9+10.35=84.25 t。

2.3 電機功率的確定

根據國家標準，Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨的最大功率1440 kW，沈陽鋁鎂設計院提供的資料電機功率1250 kW。驗證計算如下：

(1)按濕式原料磨的經驗公式

N=CG總D1/2

(3)

式中N—磨機轉動需要的功率，kW；C—礦石的介質系數。

因為三水軟鋁土礦屬較軟礦石，且進料粒度在0～100 mm之間，故取介質系數C=8.2。所以，N=8.2×84.25×3.61/2=1310.8 kW。

(2)按干式原料磨的經驗公式

N=0.222VDn主(G總/V)0.8

(4)

式中V—原料磨的有效容積，m3；

V=πD2/4×L=45.3 m3，所以：

N=0.222×45.3×3.4×17.3(84.25÷45.3)0.8

=971.7 kW。

(3)由于該磨機采用同步電機，傳動效率較高；且電機與小齒輪之間采用空氣離合器連接，可降低啟動功率，所以選取電機型號TDMK1250-40，功率1250 kW。

2.4 確定大小齒輪參數

(1)齒輪的模數按類比法確定：根據Φ3.4 m×8.05 m風掃煤磨的實際使用狀態，確定選取齒輪模數m=25。

(2)確定大小齒輪的齒數

已知：n電=150 rpm，n主=17.3 rpm，故大小齒輪速比：i=n電/n主=150÷17.3=8.67。

取小齒輪的齒數為：Z1=23，則Z2=iZ1=8.67×23=199.41；選取Z2=200。

所以磨機筒體的實際轉速為：n主=150÷(200÷23)=17.25 rpm。

由于筒體擬采取高低不等的條形襯板，對鋼球有一個較大的上舉作用力，故降低轉速0.05 rpm對磨機產能影響不大。

2.5 輔助傳動裝置的設計

根據主電機功率N主=1250 kW，采用主傳動時原料磨筒體轉速n主=17.25 rpm，選取輔助傳動時筒體的轉速n輔=0.256 rpm。

(1)按主電機功率計算磨機轉矩

根據轉矩公式：

T=9750×(N主/n主)

(5)

式中T—主電機轉動產生的轉矩，N·m；N主—主電機功率，kW。

所以，T=9750×(1250÷17.3)=706522 N·m。

(2)按磨機轉矩計算輔傳電機所需功率

N輔=Tn輔÷9750=706522×0.256÷9750=18.5 kW，據此選取輔傳電機型號：Y225S-8電機，功率：18.5 kW，輸出轉速：730 rpm。

(3)計算輔助傳動裝置的傳動比

根據：i總=730÷0.256=2851.6，計算i輔=2851.6÷8.67=328.9。

(4)確定輔助傳動減速機型號

根據以上計算，結合減速機的生產樣本，確定輔助傳動減速機的型號為：NGW123-6行星齒輪減速機，實際減速比：i=315。

(5)計算輔助傳動時球磨機的實際轉速

n輔=730÷(315×200÷23)=0.266 rpm

2.6 主軸承的驗證計算

根據磨機結構，已知主軸承的直徑為1500 mm，寬度為650 mm。根據設計計算回轉部分的總重量：Gz=G回+G球+G料=128+73.9+10.35=212.25 t=212250 kg。

2.6.1 單位壓力校核

p=(Gz÷2)÷F≤[p]
(鉛基或鋅基合金軸承[p]=15～20 kg/cm2)

(6)

式中p—原料磨主軸承工作時的單位壓力，kg/cm2； F—主軸承直徑與寬度的乘積，cm2。

經計算得，p=(212250÷2)÷(150×65)=10.88 kg/cm2。

因為p=10.88 kg/cm2≤[p]=15～20 kg/cm2，所以軸承滿足單位壓力的要求。

2.6.2 發熱特性值校核

根據公式：pv≤20～25 kg·m/cm2·s驗算主軸承的發熱特性值能否滿足使用要求。v為空心軸軸頸的線速度，v=πDn主=3.14×1.5×17.25÷60=1.35 m/s。

pv=10.88×1.35=14.73 kg·m/cm2·s≤20～25 kg·m/cm2·s，滿足使用要求。

綜上所述，主軸承滿足單位壓力及發熱特性值的許用要求，設計是合理的。

3 溢流型原料磨的結構設計

溢流型原料磨系統如圖1所示，主要由進料裝置、主軸承裝置、筒體裝置、主軸承高低壓潤滑裝置、大齒輪裝置、出料裝置、主電機裝置、空氣離合器、大齒輪噴射潤滑裝置、小齒輪裝置、輔助傳動裝置、PLC程序控制柜等部分組成。

1.進料裝置 2.主軸承裝置 3.筒體裝置 4.高低壓稀油潤滑裝置 5.大齒輪裝置 6.出料裝置 7.主電機裝置 8.空氣離合器 9.延伸軸裝置 10.噴射潤滑裝置 11.小齒輪裝置 12.輔助傳動裝置圖1 Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨總圖

3.1 進料裝置

進料裝置的給料器采用焊接結構，比過去鑄造與焊接組合式結構簡單、加工費用低，維修方便。給料器設計為雙給料勺進料，較單給料勺進料均勻，運轉平穩。該給料器采用強制給料方式，可極大的提高磨機的產能。

3.2 主軸承裝置

主軸承裝置為溢流型球磨機的主體部件，是確保磨機正常運轉的重要組成，如圖2所示。該球磨機主軸承潤滑選用動靜壓潤滑方式，軸承外側為球面，內側襯瓦材質采用巴氏合金。主軸承背面為球面，支承在球面軸承座上形成自動調心形式，安裝時經刮研可確保調心靈敏可靠，且能自動適應軸承在制造、安裝以及溢流磨在回轉過程中產生的轉角誤差。

圖2 主軸承裝置簡圖

主軸承裝置潤滑方式為外循環潤滑，潤滑站由高低壓稀油潤滑系統組成。根據動靜壓潤滑工作原理，在球磨機啟動、低速運轉和停車時使用高壓潤滑系統，即用靜壓形成的靜壓油膜將球磨機筒體裝置兩端的空心軸頂起，防止空心軸軸頸與主軸承軸瓦滑動面的干摩擦，降低轉動力矩。正常工作時使用低壓潤滑系統，通過空心軸軸頸的回轉運動在軸頸與軸瓦之間形成動壓油膜，以保證磨機能獲得可靠的潤滑，延長軸瓦的使用壽命。在主軸承軸瓦內設有冷卻水盤管，在球磨機工作時通入循環水冷卻，以降低軸頸與軸瓦之間相對摩擦產生的溫度。

由于溫度影響而可能使磨機筒體的長度發生變化，進料端蓋軸頸和軸瓦在軸向尺寸相差20 mm，允許軸頸在軸瓦上軸向竄動，以補償筒體的熱脹冷縮變形。

軸承內部裝有兩件鉑熱測溫電阻。主軸承與主電機聯鎖，停機溫度可設定在60 ℃，或根據現場實際情況調整。

3.3 筒體裝置

筒體裝置是磨機的主要部件，主要由進出料端蓋、進出料襯套、筒體組成，如圖3所示。筒體裝置的筒體內壁及進出料端蓋內表面均裝有高錳鋼襯板和端襯板，物料在鋼球和錳鋼襯板之間被粉碎和研磨，在筒體和筒體襯板之間鑲有6 mm橡膠墊，此橡膠墊在磨機運轉過程中起到保護筒體鋼板和降低噪音的作用[2]。

圖3 筒體裝置

3.4 傳動裝置

傳動裝置由主電機、空氣離合器、大小齒輪、軸承座等組成，小齒輪軸采用滾動軸承座支撐。大小齒輪采用優質合金鋼制造，采用直齒傳動，易調整，壽命長；大小齒輪間的潤滑采用干油噴射潤滑方式，由程序控制噴嘴定時定量的向齒輪的嚙合面自動噴油，在齒形表面形成油膜，保證了大小齒輪的潤滑條件和使用壽命。該潤滑方式減輕了操作工人勞動強度，潤滑效果好，減少了潤滑油耗量。

3.5 輔助傳動裝置

輔助傳動裝置主要由直連電機、行星齒輪減速器、斜齒離合器等部件組成，主要在磨機檢修及更換襯板時使用。在斜齒離合器的離合兩個位置各裝有一個行程開關，以實現與主電機的連鎖，保證兩套傳動系統的安全性。

3.6 PLC電控裝置

PLC電控裝置中設置了聯鎖裝置：在使用輔助傳動裝置時，主電機不能啟動，而主電機工作時，輔助傳動裝置不能啟動。在啟動各驅動裝置之前，必須先開啟高壓潤滑油泵，將球磨機筒體裝置的空心軸頂起，防止擦傷軸瓦。

4 原料磨運行情況

經中國鋁業山東分公司恒成機械制造廠進行優化設計制造的最大規格的原料磨——Φ3.6 m×6 m溢流型原料磨，已成功應用于中國鋁業山東分公司第二氧化鋁廠生產實踐中，經運行調試已達到設計產能。Φ3.6 m×6 m原料磨是在保證用戶正常使用的前提下，由中鋁山東分公司恒成機械制造廠根據國際上拜耳法生產氧化鋁行業中較先進的生產工藝，結合其多年積累的豐富的設計與制造經驗研制開發的，現場運行數據說明，由恒成機械制造廠設計制造成功的大型溢流型原料磨已經達到了國內外同類設備的先進水平，為中國鋁業山東分公司擴大產品市場、進行多元化發展奠定了基礎。

[1] (美)穆拉爾，杰根森.碎磨回路的設計和裝備[M].北京：冶金工業出版社，1990.

[2] 忻尚正.礦山機械[M].北京：冶金工業出版社，2001.

Design ofΦ3.6 m×6 m Overflow Type Raw Material Mill

LIU Wen-quan1， LIU Chuan-bin2， LIU Ai-min3

(1.Hengcheng Machinery Manufacturing Plant, 2.Market Center, 3. 2nd Alumina Plant,CHALCO Shandong Branch, Zibo 255052, China)

According to the purpose and process parameters of raw material grinding of alumina production, and Bayer process compared with the international advanced production technology, combined with design and manufacturing experience accumulated over the years of research and development, the paper designs and checks the mechanical properties of raw material grinding parameters.

speed determination；power calculation；main bearing calculation；structure design of mill

2013-11-26

劉文泉(1965-)，男，山東淄博人，工程師，大學專科，主要從事機械設計與研發工作。

劉傳斌(1962-)，男，山東淄博人，工程師，大學本科，主要從事設備管理工作，現任中國鋁業山東分公司營銷中心設備備件科科長。

TD453

B

1003-8884(2014)03-0008-04

劉愛民(1971-)，男，山東淄博人，工程師，碩士研究生，主要從事安全技術管理工作。